CN110656888A - 一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器，主要结构有：双圆柱凸轮锁定机构、刀翼伸缩机构和刀翼冲洗机构。双圆柱凸轮锁定机构主要作用是实现刀翼位置锁定；刀翼伸缩机构主要作用是实现刀翼可靠的伸出和回缩；刀翼冲洗机构的作用是对钻头进行有效冲洗。本发明利用上述机构能根据作业需求，来控制刀翼自由可控的反复伸出与回缩，减少起下钻次数；能实现对刀翼可靠的锁定，防止刀翼在扩眼过程中因为岩层压力波动而伸缩式振动，保证扩眼的稳定性；能实现刀翼可控的回缩，可在扩眼过程中遇阻遇卡时通过回缩快速解卡，有效防止刀翼受损；能利用可伸出式射流喷嘴，喷出高压钻井液冲洗刀翼防止岩屑沉积和泥包形成，提高刀翼扩眼效率。

Description

一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器

技术领域

本发明涉及石油天然气开采钻井技术领域，具体涉及一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器。

背景技术

在石油天然气钻井过程中，当遇到盐膏层蠕变时，地层挤压会使得已钻好的井眼缩径，从而使得下套管困难或挤毁套管，甚至导致卡钻，引发严重的钻井事故。采用随钻扩眼技术是处理井下井眼缩径等复杂情况的一种非常有效的手段。随钻扩眼技术就是将随钻扩眼工具安装在常规钻头后面，实现在全面钻进的同时扩大井眼的一种钻井技术，它能增加套管环空间隙，有利于套管和膨胀管的下入，以增加水泥环的厚度，提高固井质量，避免卡钻带来的一系列问题，可有效解决日益凸现的深部地层钻探难题。

目前扩眼器的主流形式是投球式扩眼器和液压式扩眼器。投球式扩眼器是通过投球憋压推动活塞向下运动以达到开启刀翼的目的，但是投球式扩眼器结构非常复杂、加工要求高、成本也高，且入井后只能用一次就要返回井口取出钢球重新投入井内这将会大大增加钻井的成本。液压式扩眼器是采用水力活塞式结构，通过增大钻井液的液压，推动活塞驱动齿轮齿条结构使刀翼外张，靠停泵或降低液压利用弹簧复位来回缩刀翼，但是在钻井过程中刀翼所受岩层压力波动，使得活塞受力不稳定，而导致刀翼伸缩式振动使得形成的井眼直径波动大。另外，目前常用来伸出刀翼的齿轮齿条结构在井下容易卡入岩屑，导致刀翼不能正常伸出与回缩，严重的可能导致刀翼掉落，导致严重的井下事故的发生。并且目前大多扩眼器都未设置有效冲洗刀翼的装置，这将会导致岩屑沉积而致使泥包形成，从而导致卡钻。所以针对上述现有扩眼器存在的问题：如何使刀翼一次下钻可进行多次重复伸出与回缩、如何对刀翼伸出位置进行锁定、如何改进刀翼的伸出结构、如何对刀翼进行冲洗，这些是目前亟待解决的问题。

为解决上述问题，亟需发明一种刀翼可反复稳定收缩与回收、刀翼能可靠锁定、刀翼能可靠伸缩、刀翼能得到有效冲洗的可控式随钻扩眼器。该扩眼器能实现扩眼刀翼稳定可控的反复伸出与回缩，减少起下钻次数；能实现对扩眼刀翼可靠锁定，防止刀翼在扩眼过程中因为岩层压力波动而伸缩式振动，保证刀翼切削岩石的稳定性；能实现刀翼可控式回缩，可在扩眼过程中遇阻遇卡时通过回缩快速解卡，从而有效防止刀翼受损；能利用可伸出式射流喷嘴，在扩眼过程中实时喷出高压钻井液冲洗刀翼防止岩屑沉积和泥包形成，从而提高刀翼切削岩石效率。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有扩眼器在使用中存在的问题，提供一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器，以解决现有扩眼器起下钻次数多、扩眼过程不稳定、扩眼波动大、容易卡钻和刀翼得不到有效冲洗的问题。

本发明专利解决其技术问题所采用以下技术方案是：一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器，主要由上下接头、外筒、下接头、以及位于外筒中的双圆柱凸轮锁定机构、刀翼伸缩机构和刀翼冲洗机构组成。上接头和外筒之间通过螺纹连接；下接头和外筒之间通过螺纹连接；所述的双圆柱凸轮锁定机构由O型密封圈Ⅰ、弹簧Ⅰ、压筒、划爪套、O型密封圈Ⅱ、O型密封圈Ⅲ组成：压筒上端通过上接头上的台阶限位，压筒与外筒之间设有O型密封圈Ⅰ，弹簧Ⅰ位于外筒内且其两端分别连接于压筒和外筒之间，压筒与划爪套相接触，划爪套与外筒之间设有O型密封圈Ⅱ，划爪套与下接头之间设有O型密封圈Ⅲ；所述的刀翼伸缩机构由滑筒、连杆座、连杆、刀翼和弹簧Ⅱ组成，滑筒通过间隙配合与划爪套连接，弹簧Ⅱ安装于滑筒下端与下接头之间连接，连杆座与滑筒之间通过螺钉连接，连杆两端分别与连杆座和刀翼通过螺栓连接，刀翼与外筒通过螺栓连接。

所述的外筒内壁周向分布有三处凸起的卡爪用于压筒的周向定位和划爪套的循环锁定，外筒中部设置有三处流道并且连接着设置三处斜孔用于安装喷嘴，外筒中下部周向设置有三处矩形通孔用于安装刀翼，并且矩形通孔下部设置有螺栓通孔用于安装连接刀翼与外筒的螺栓，外筒上、下端分别设置有螺纹用于与上、下接头连接。

所述的双圆柱凸轮锁定机构，其中的压筒上端有一处锥形流道口，此处运用节流增压原理，通过增大钻井液流量，产生对压筒向下的压力，压筒上部设置有一处台阶用于与弹簧Ⅰ连接，压筒内部设置有葫芦串空腔用于辅助增压，压筒外壁周向设置有三处凹槽，通过与外筒内壁的卡爪配合限制压筒周向转动，压筒下端设置有三处螺旋面，三处螺旋面之间设置三处断面，形成圆柱凸轮结构；其中的划爪套上端设置有六处螺旋面，六处螺旋面间交叉分布三处断面和三处缺口，形成圆柱凸轮结构用于与压筒下部的圆柱凸轮结构配合起锁定作用，压筒上周向分布的三处凹槽用于与外筒上的卡爪配合，压筒上的螺旋面与划爪套上的螺旋面接触连接。

所述的刀翼伸缩机构，其中的连杆座上设置有螺栓通孔，连杆座上设置有螺栓通孔用于与连杆连接，连杆座上设置有承载斜面用于在扩眼时承载刀翼上的力，连杆座中设置有直角槽为连杆安装位置；其中的滑筒外周向设置有三排螺纹孔用于与连杆座连接，滑筒中部设置有斜台阶，用于在开始伸出刀翼的时候挤出刀翼；其中的刀翼设置有两排齿，前排为切削齿，后排为保径齿。其中的滑筒上端连接于划爪套的台阶，滑筒下端与弹簧Ⅱ连接；其中的连杆座通过螺栓连接于滑筒的螺纹孔；其中的连杆一端通过螺栓与连杆座上的直角槽相连，另一端通过螺栓与刀翼相连；所述的刀翼通过螺栓连接于外筒的矩形通孔中。

所述的刀翼冲洗机构由喷嘴、小弹簧和喷嘴固定环组成，其中的喷嘴、小弹簧和喷嘴固定环均位于外筒的斜孔中，小弹簧安装于喷嘴与喷嘴固定环之间，喷嘴固定环通过螺纹连接与外筒的斜孔连接。

本发明有益效果是：1)本发明可实现扩眼刀翼稳定可控的反复伸出与回缩，减少起下钻次数，避免多次起下钻带来的其他不利因素；2)本发明能实现对刀翼的可靠锁定，在扩眼过程中防止刀翼因为岩层压力波动而伸缩式振动，从而保证刀翼切削岩石的稳定性；3)本发明能实现刀翼可控式回缩，可在刀翼遇阻遇卡时进行回缩解卡，从而有效防止刀翼被卡住甚至被折断；4) 本发明设有可伸出式射流喷嘴，可以更近的向刀翼喷出钻井液，更有效的清洗刀翼，从而防止泥包形成和岩屑沉积，从而有效提高刀翼切削岩石效率。

附图说明

图1为本发明外观图；

图2为本发明刀翼收缩与伸出对比图；

图3为本发明外筒结构示意图；

图4为本发明压筒结构示意图；

图5为本发明划爪套结构示意图；

图6为本发明刀翼冲洗机构结构示意图；

图7为本发明连杆座结构示意图；

图8为本发明滑筒结构示意图；

图9为本发明刀翼伸出过程中双圆柱凸轮锁定机构中压筒、划爪套与外筒上的卡爪结构配合示意图。

图中，1-上接头，2-外筒，3-O型密封圈Ⅰ，4-弹簧Ⅰ，5-压筒，6-划爪套， 7-刀翼冲洗机构，8-O型密封圈Ⅱ，9-连杆座，10-滑筒，11-连杆，12-刀翼， 13-弹簧Ⅱ，14-O型密封圈Ⅲ，15-下接头，201-卡爪，202-流道，203-斜孔，204-矩形通孔，205-螺栓通孔，501-锥形流道口，502-台阶，503-葫芦串空腔， 504-凹槽，505-螺旋面，506-断面，601-螺旋面，602-断面，603-缺口，604-台阶，701-喷嘴，702-小弹簧，703-喷嘴固定环，901-螺栓通孔，902-螺栓通孔， 903-承载斜面，904-直角槽，1001-螺纹孔，1002-斜台阶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下描述：

如图1-图9所示，一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器，主要由上接头1、与上接头1通过螺纹连接的外筒2、与外筒2下端通过螺纹连接的下接头15 以及位于外筒2中的双圆柱凸轮锁定机构、刀翼伸缩机构和刀翼冲洗机构7组成。其中的双圆柱凸轮锁定机构由O型密封圈Ⅰ3、弹簧Ⅰ4、压筒5、划爪套 6、O型密封圈Ⅱ8、O型密封圈Ⅲ14组成：压筒5上端通过上接头1上的台阶限位，压筒5与外筒2之间设有O型密封圈Ⅰ3，弹簧Ⅰ4位于外筒2内且其两端分别连接于压筒5和外筒2之间，压筒5与划爪套6相接触，划爪套6与外筒2之间设有O型密封圈Ⅱ8，划爪套6与下接头15之间设有O型密封圈Ⅲ14；其中的刀翼伸缩机构由连杆座9、滑筒10、连杆11、刀翼12、弹簧Ⅱ 13组成：滑筒10与划爪套6间隙配合，弹簧Ⅱ13连接于滑筒10和下接头15 之间，连杆座9通过螺栓连接于滑筒10上，连杆11两端分别与连杆座9和刀翼12通过螺栓连接连接，刀翼12与外筒2通过螺栓连接；其中的刀翼冲洗机构7安装于外筒2中部的三处斜孔中，刀翼冲洗机构7由喷嘴701、小弹簧702 和喷嘴固定环703组成，其中：喷嘴701、小弹簧702和喷嘴固定环703均位于外筒2的斜孔203中，小弹簧702安装于喷嘴701与喷嘴固定环703之间，喷嘴固定环703通过螺纹连接与外筒2的斜孔203连接。

本发明的工作过程如下：

初始状态：如图2中左图，压筒5在弹簧Ⅰ4的作用下处于最上方位置，此时外筒2的卡爪201卡在划爪套6的缺口603上，此时刀翼12处于闭合状态。

工作状态一：如图5，增大钻井液的流量，当钻井液通过压筒5的锥形流道口501和葫芦串空腔503时，由于流道变化，使得钻井液对压筒5产生较大压力，使压筒5推动划爪套6向下运动，当压筒5处于行程最下端时卡爪201 离开划爪套6上的缺口603，由于压筒5的螺旋面505与划爪套6的螺旋面601 配合，使得划爪套6旋转，并且在划爪套6向下运动的同时，带动滑筒10向下运动，使得滑筒10上的斜台阶1002挤压出刀翼12使刀翼12伸出，并且随着划爪套6向下运动，划爪套6的缺口603转到流道202处，高压钻井液推出刀翼冲洗机构7中的喷嘴701并开始向刀翼喷射高压钻井液，用于冲洗刀翼防止泥包形成和岩屑沉积，一定时间后减小钻井液的流量，使得压筒5受到的压力减小，在弹簧Ⅰ4、弹簧Ⅱ13的作用下压筒5和划爪套6开始回弹，此时划爪套6的螺旋面601与卡爪201上的斜面接触并旋转，使卡爪201卡在划爪套6的断面602处，实现对刀翼12的锁定功能，此时刀翼12伸出完毕，开始正常的扩眼工作，破岩时刀翼12上表面与连杆座9上的承载斜面903接触，并挤压，避免连杆11直接受力断裂。

工作状态二：与前一工作过程类似，增大钻井液的流量，当钻井液通过压筒5的锥形流道口501和葫芦串空腔503时，由于流道变化，使得钻井液对压筒5产生较大压力，使压筒5推动划爪套6向下运动，当压筒5处于行程最下端时卡爪201离开划爪套6上的断面602，由于压筒5的螺旋面505与划爪套 6的螺旋面601配合，使得划爪套6旋转，一定时间后减小钻井液的流量，使得压筒5的压力减小，在弹簧Ⅰ4、弹簧Ⅱ13的作用下压筒5和划爪套6开始回弹，此时划爪套6的螺旋面601与卡爪201接触并旋转，使卡爪201卡在划爪套6的缺口603处，使划爪套6和滑筒10在弹簧Ⅱ13的作用下继续向上运动，通过连杆带动刀翼的回缩并锁定，同时划爪套6缺口603转离流道202处，刀翼冲洗机构7中的喷嘴701受小弹簧702的作用回缩并停止喷射钻井液，停止扩眼工作。

需要再次扩眼作业时重复以上两步骤即可。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器，包括上接头（1）、与上接头（1）通过螺纹连接的外筒（2）、与外筒（2）下端通过螺纹连接的下接头（15）以及位于外筒（2）中的双圆柱凸轮锁定机构、刀翼伸缩机构和刀翼冲洗机构（7），其特征在于：所述的双圆柱凸轮锁定机构由O型密封圈Ⅰ（3）、弹簧Ⅰ（4）、压筒（5）、划爪套（6）、O型密封圈Ⅱ（8）、O型密封圈Ⅲ（14）组成：压筒（5）上端通过上接头（1）上的台阶限位，压筒（5）与外筒（2）之间设有O型密封圈Ⅰ（3），弹簧Ⅰ（4）位于外筒（2）内且其两端分别连接于压筒（5）的台阶和外筒（2）的台阶之间，压筒（5）与划爪套（6）相接触，划爪套（6）与外筒（2）之间设有O型密封圈Ⅱ（8），划爪套（6）与下接头（15）之间设有O型密封圈Ⅲ（14）；所述的刀翼伸缩机构由连杆座（9）、滑筒（10）、连杆(11)、刀翼（12）、弹簧Ⅱ（13）组成：滑筒（10）与划爪套（6）间隙配合，弹簧Ⅱ（13）连接于滑筒（10）和下接头（15）之间，连杆座（9）通过螺栓连接于滑筒（10）上，连杆（11）两端分别与连杆座（9）和刀翼（12）通过螺栓连接，刀翼（12）与外筒（2）通过螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器，其特征在于：所述的外筒（2）内壁周向分布有三处凸起的卡爪（201），外筒（2）中部设置有流道（202），流道（202）旁设置有斜孔（203），外筒（2）中下部设置有矩形通孔（204），矩形通孔（204）下部设置有螺栓通孔（205），外筒（2）上下两端分别设置有两处螺纹。

3.根据权利要求1所述的一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器，其特征在于：所述的双圆柱凸轮锁定机构，其中的压筒（5）上端有一处锥形流道口（501），压筒（5）上部设置有一处台阶（502），压筒（5）内部设置有葫芦串空腔（503），压筒（5）外壁周向均匀设置有三处凹槽（504），压筒（5）下端均匀设置有三处螺旋面（505），三处螺旋面（505）间设置三处断面（506）；其中的划爪套（6）上端设置有六处螺旋面（601），六处螺旋面（601）间交叉分布三处断面（602）和三处缺口（603），划爪套（6）中上部设置有一处台阶（604）；所述的压筒（5）上周向均匀分布的凹槽（504）与外筒（2）上的卡爪（201）配合，压筒（5）与划爪套（6）通过螺旋面（505）与螺旋面（601）接触连接。

4.根据权利要求1所述的一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器，其特征在于：所述的刀翼伸缩机构，其中的连杆座（9）上设置有螺栓通孔（901），连杆座（9）上设置有螺栓通孔（902），连杆座（9）上设置有承载斜面（903），连杆座（9）中设置有直角槽（904）；其中的滑筒（10）外周向均匀设置有三处螺纹孔（1001），滑筒（10）中部设置有斜台阶（1002）；其中的刀翼（12）设置有两排齿，前排为切削齿，后排为保径齿；所述的滑筒（10）下端与弹簧Ⅱ（13）连接，并被弹簧Ⅱ（13）压紧在划爪套（6）的台阶（604）处；所述的连杆座（9）通过螺钉连接于滑筒（10）的螺纹孔（1001）；所述的连杆（11）一端安装在连杆座（9）的直角槽（904）内并通过螺栓与连杆座（9）相连，另一端通过螺栓与刀翼（12）相连；所述的刀翼（12）通过螺栓连接安装于外筒（2）的矩形通孔（204）中。

5.根据权利要求1所述的一种水力激发伸缩可控式随钻扩眼器，其特征在于：所述的刀翼冲洗机构（7）由喷嘴（701）、小弹簧（702）和喷嘴固定环（703）组成，其中：喷嘴（701）、小弹簧（702）和喷嘴固定环（703）均安装于外筒（2）的斜孔（203）中，小弹簧（702）套在喷嘴（701）外，一段连接在喷嘴（701）的台阶处，另一端与喷嘴固定环（703）连接，喷嘴固定环（703）通过螺纹连接与外筒（2）的斜孔（203）连接并压紧小弹簧（702）。

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